基于SHAW模型的科爾沁草甸地凍融期土壤水熱鹽動態(tài)模擬研究

王 馳, 劉小燕, 劉巧玲, 劉廷璽

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

基于SHAW模型的科爾沁草甸地凍融期土壤水熱鹽動態(tài)模擬研究

王 馳, 劉小燕, 劉巧玲, 劉廷璽

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

[目的] 探討季節(jié)性凍融期土壤水熱鹽動態(tài)變化及其機(jī)理，對干旱半干旱地區(qū)土壤鹽漬化防護(hù)與治理提供一定的理論依據(jù)。[方法] 以科爾沁草甸地為研究對象，利用2013年11月至2014年5月科爾沁左翼后旗阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站草甸地試驗(yàn)點(diǎn)的水熱鹽觀測資料，通過SHAW模型進(jìn)行仿真模擬分析。[結(jié)果] 模型對土壤熱量和鹽分的模擬結(jié)果較好，模擬期土壤水分模擬的標(biāo)準(zhǔn)偏差(root mean square error，RMSE)為0.02～0.07。受草甸地地下水位影響，模型對含水率的模擬結(jié)果偏差較大，但其標(biāo)準(zhǔn)偏差及平均偏差均處于允許范圍內(nèi)。[結(jié)論] 將SHAW模型作為相關(guān)研究仿真模擬的優(yōu)選模型，可以彌補(bǔ)人工觀測數(shù)據(jù)間斷或缺失的不足，可以被借鑒定量模擬預(yù)測農(nóng)田在自然條件下的垂向一維凍土—非凍土系統(tǒng)內(nèi)的水熱鹽遷移狀況。

SHAW模型; 季節(jié)性凍土; 參數(shù)率定; 模型評估

土壤凍融作為季節(jié)性凍融地區(qū)一種常見的自然現(xiàn)象，過程較為復(fù)雜，包括水分運(yùn)動、水分相變、熱量傳輸和溶質(zhì)的遷移。中國季節(jié)性凍土主要分布在北緯30°以北地區(qū)。而這些地區(qū)又大多屬于干旱、半干旱的缺水地區(qū)。由于灌溉管理不當(dāng)和冬春季土壤的凍融等的影響，形成大面積的土壤鹽堿化[1-6]。受溫帶大陸季風(fēng)氣候影響[7]，春冬季節(jié)土壤均經(jīng)歷周期性的凍融過程，該時期土壤水熱鹽運(yùn)移特點(diǎn)與非凍結(jié)期存在較大差異，特殊的運(yùn)移機(jī)理導(dǎo)致了區(qū)域荒漠化與鹽堿化現(xiàn)象[8]。近40 a來，科爾沁草甸地沙化面積日趨擴(kuò)大，成為荒漠化最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。因此，通過模型模擬凍融期土壤水熱鹽變化，有助于進(jìn)一步認(rèn)識科爾沁草甸地在地下水淺埋條件下土壤水熱鹽在空間和時間上的運(yùn)移特征，為科爾沁草甸地鹽堿化、次生鹽堿化以及荒漠化預(yù)防與治理工作提供理論依據(jù)。

如今，將SHAW(simultaneous heat and water)模型應(yīng)用于草甸地上的還不多見，考慮到SHAW模式對土壤水熱鹽運(yùn)移耦合解決的優(yōu)越性[9-13]。本文擬利用2013—2014年科爾沁草甸地阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站的觀測資料，結(jié)合SHAW模型進(jìn)行單點(diǎn)的數(shù)值模擬試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析來評估模擬值與觀測值的差異，以期驗(yàn)證SHAW模型對科爾沁草甸地凍融期土壤水熱鹽動態(tài)模擬的效果。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處科爾沁沙地東南部，行政區(qū)劃為內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮(zhèn)。阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站(122°36′—122°38′E，43°19′—43°21′N)，面積約55 km2，地貌特點(diǎn)為沙丘、草甸地、湖泊相間分布，屬典型的半干旱荒漠化地區(qū)。所選試驗(yàn)點(diǎn)植被群落類型多樣，且以草本植被為主，主要有天然羊草，蘆葦、苦菜、野古草等，以10 m×10 m柵欄圈圍，柵欄內(nèi)保持原有草甸地植被類型。受溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，每年的10月下旬或11月上旬至翌年4月下旬或5月上旬(受每年氣溫變化而波動)之間有長達(dá)5～6個月季節(jié)性凍土分布，最大凍深為1.0 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2013年11月到翌年4月，凍融期日蒸發(fā)量為4.82～5.63 mm/d，日平均氣溫小于0 ℃的天數(shù)約為134 d，日平均地表(10 cm)溫度小于0 ℃的天數(shù)約為125 d。試驗(yàn)點(diǎn)內(nèi)主要儀器設(shè)備有自動氣象站觀測系統(tǒng)和人工觀測設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時間為2013年10月至2014年5月，將自動氣象站監(jiān)測的土壤、氣象數(shù)據(jù)、人工觀測數(shù)據(jù)及土鉆取土試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析。具體監(jiān)測項(xiàng)目：自動氣象站記錄氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)；埋設(shè)熱敏電阻探頭長期監(jiān)測土壤剖面地溫變化情況；采用中子儀，結(jié)合烘干稱重法測定土壤全含水率(體積含水率)，觀測時間為每2日1次，埋深深度與地溫探頭埋深深度一致；布置丹尼林凍深器[14]監(jiān)測土壤凍深，監(jiān)測最大深度為160 cm。HOBO自記地下水位計(jì)監(jiān)測地下水位。

在整個凍融期內(nèi)進(jìn)行人工實(shí)地分期取土試驗(yàn)，測定土壤含水率和電導(dǎo)率，將取回的土樣用電導(dǎo)儀測定土壤電導(dǎo)率。

1.3 模型簡介及參數(shù)確定

SHAW模型為美國農(nóng)業(yè)部北方流域研究中心建立的一維水熱耦合模型[15]。該模型已經(jīng)被證明能夠較精確地模擬土壤、氣候和地表面很大范圍內(nèi)的凍結(jié)深度以及凍土中的水熱遷移狀況，為研究季節(jié)性凍融土壤的水熱遷移規(guī)律提供了理論和方法的借鑒，是目前研究融雪和土壤凍結(jié)、融化比較有效和詳細(xì)的模型之一。

本次模擬選用以日為時間步長的氣象資料作為上邊界氣象條件，土壤含水率、溫度以及氣象數(shù)據(jù)輸入的同時還應(yīng)輸入對應(yīng)的儒略日、輸出頻率和所屬年份。試驗(yàn)點(diǎn)的一般信息即為用來確定試驗(yàn)點(diǎn)的具體地理位置、海拔、坡向等，具體信息為122°37′E，43°20′N，坡度和坡向?yàn)?，高程198 m, 干土反照率0.3，濕土反照率0.35。

由于草甸地每年地表植被、土壤含水量和地下水位區(qū)別較大，利用公式計(jì)算試驗(yàn)草甸地水利特性參數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)容重、空隙大小分布指數(shù)、空氣進(jìn)入勢、飽和導(dǎo)水率等[16]，并選用2013年11月到2014年5月間部分土壤水熱鹽和氣象等數(shù)據(jù)對SHAW模型的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定，根據(jù)兩者擬合的結(jié)果調(diào)整具體參數(shù)，最大可能地實(shí)現(xiàn)模擬值與實(shí)測值擬合。率定后確定的基本水力特性參數(shù)值如表1所示。

1.4 模型評估方法

模型模擬效果可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)進(jìn)行評價，如模型效率(model efficiency， ME)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(root mean square error，RMSE)，和平均偏差(mean bias error， MBE)，平均絕對誤差(relatively mean absolutely error， RMAE)等用來評價模型的精度。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

凍融過程中，土壤凍結(jié)融化的主導(dǎo)因素是溫度。從圖1中可以看出，30 cm以上土壤溫度受氣溫影響變化劇烈，且變化趨勢與氣溫變化趨勢相一致，而30 cm以下土壤受氣溫變化影響較小，變化相對平緩。

圖1 凍融期降雨量與不同深度土壤溫度日動態(tài)變化

根據(jù)氣溫的變化幅度及土壤凍結(jié)變化特征可以將整個凍融期劃分為3個階段：11月9日開始出現(xiàn)負(fù)溫起到12月4日，氣溫晝夜正負(fù)波動，表層土壤出現(xiàn)晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象，土壤水發(fā)生水—冰、冰—水的交替相變過程，這一時期為初始凍結(jié)期；12月5日起氣溫從0 ℃持續(xù)下降，直到1月11日達(dá)到最低氣溫-18.2 ℃，此段時間，土壤凍結(jié)速度較大，凍深增長較快，土壤中僅發(fā)生水—冰的相變過程。隨后氣溫變化相對穩(wěn)定，1月14日到2月11日之間，隨氣溫的平緩變化，土壤溫度的變幅幾乎為0，表層土壤這一現(xiàn)象尤為明顯，此時凍深達(dá)到91 cm左右，這段時間為穩(wěn)定凍結(jié)期。

2.1 土壤溫度的模擬

對土壤溫度模擬值和實(shí)測值做線性回歸分析，整個凍融期各層土壤溫度實(shí)測值與模擬的相關(guān)關(guān)系較好，結(jié)合散點(diǎn)分布圖可以直觀的顯示出模擬值和實(shí)測值之間的擬合效果。

以10，50，100 cm深度的土壤參數(shù)為代表，作模型模擬結(jié)果驗(yàn)證(如圖2所示)。由圖2可見，表層散點(diǎn)分布相對較稀疏，中間層和下層擬合效果較好，相關(guān)性均較高，這說明深層土壤模擬效果比淺層土壤模擬效果好，淺層土壤模擬受氣候環(huán)境、土壤熱參數(shù)影響較大。

圖2 凍融期土壤溫度模擬值和實(shí)測值相關(guān)性分析

整個時期，溫度變化較為平緩，剖面溫度漸變過程呈現(xiàn)“U”型分布，30 cm以上土層溫度變化幅度較大，凍結(jié)期開始，溫度平滑下降，進(jìn)入解凍時期，表層地溫迅速升高，并于4月底就達(dá)到18 ℃之上。出現(xiàn)這種變化的原因可能是淺層土壤受地表氣溫變化的影響較大。

根據(jù)凍融期間草甸地土壤溫度模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSE)、平均偏差(MBE)、平均絕對誤差(RMAS)來綜合衡量模擬數(shù)據(jù)的分散程度、模擬值自身隨機(jī)變量均值的波動性以及模擬值與實(shí)測值的平均相差值，由模型效率(ME)顯示模型總體的模擬效果(下同)。如表2所示，從分析的結(jié)果可以看出，對于土壤溫度的模擬，層位越深，模擬效果越好，可能因?yàn)闇\層土壤受外界影響較大，土壤熱參數(shù)取值存在一定的誤差。模擬值與觀測值標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.02～0.06，由此表明模擬結(jié)果精度較高。

表2 凍融期草甸地土壤溫度模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

2.2 土壤含水率的模擬

分別選擇初始凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期和消融解凍期任意日的土壤剖面實(shí)測值和模擬值進(jìn)行比較(圖3)。由圖3可知，整個凍融期不同時間土壤含水量的實(shí)測值和模擬值變化趨勢基本一致，且消融解凍期的擬合效果最佳。

圖3 凍融期土壤含水率模擬值和實(shí)測值比較

模擬結(jié)果與中子儀觀測情況基本接近，20和30 cm土壤含水量較高，集中于72.16%～49.66%。草甸地各土層含水量隨時間的變化波動比不是很大，除初始凍結(jié)期略有升高外，其他時期水分運(yùn)移均不是很活躍。其原因可能是地下水位較高，草甸地土壤剖面含水量均較高，全含水量隨凍融過程變幅不是很明顯。

相較于溫度的模擬效率，含水率模擬效率要稍微差一些。這可能與影響土壤含水率的因素較多,包括降水量、地表植被、土壤質(zhì)地、土壤溫度等，而且水分本身具有復(fù)雜的相態(tài)變化有關(guān)，對模型模擬含水率結(jié)果影響較大。從30 cm深度以下，模擬值與實(shí)測值基本吻合，這可能因?yàn)檠芯繀^(qū)于2013年8月15，16日有特大降水(122.3 mm)，土壤含水率對天氣變化極為敏感。如表3所示，但總體來看，標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.75～6.30，平均值3.20。說明模擬結(jié)果與觀測結(jié)果之間誤差可以接受，此次模擬結(jié)果可以反映實(shí)際結(jié)果。

2.3 土壤含鹽量的模擬

同樣選用3個時期任意日不同層位的含鹽量實(shí)測值與模擬值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模擬結(jié)果(圖4)。從圖4中可以看出，所有層位的模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本一致。

表3 凍融期草甸地土壤水分模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

圖4 凍融期土壤含鹽量模擬值和實(shí)測值比較

草甸地鹽分運(yùn)移過程既特殊又復(fù)雜[17]，通過SHAW模型模擬草甸地凍融期土壤含鹽量的變化趨勢，從中可看出100 cm土壤深度之上的土壤含鹽量隨著土壤的凍結(jié)融化過程呈現(xiàn)先上升后下降的過程，其中表層的含鹽量變化較大，變化現(xiàn)象較明顯。土壤深度100 cm之下的土壤含鹽量較小，整個凍融期變幅較小，含鹽量基本保持不變。這種現(xiàn)象可能成因是水分和鹽分之間具有強(qiáng)烈的耦合作用，并且鹽分的時空變異性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水分的時空變異性。

從表4可以看出，模型對于鹽分的模擬效率依然為下層優(yōu)于上層，標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均絕對誤差分析的值均為表層高于下層，因此可以說明，模型對于土壤鹽分的模擬也是隨土層深度的增加模擬效果越好。這可能是由于土壤鹽分受水分在溫度梯度下的運(yùn)動影響較大，土壤鹽分運(yùn)移方程中的參數(shù)難以確定等因素影響。各層土壤模型效率均大于0.55，并且最優(yōu)效果可以達(dá)到0.90，由此可見SHAW模型對于土壤鹽分的模擬效果能基本反應(yīng)土壤鹽分的變化情況。

表4 凍融期草甸地土壤鹽分模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

3 討論與結(jié)論

(1) SHAW模型能夠較為成功地模擬科爾沁草甸地土壤溫度和土壤含鹽量。對8個不同深度土壤溫度、土壤鹽分的模擬值和觀測值對比統(tǒng)計(jì)，模型效率都在0.59以上,平均偏差在0.03以下。隨著土壤深度增加，土壤溫度、鹽分的模擬效果變好。

(2) 相較于草甸地溫度和鹽分的模擬，土壤含水率的模擬結(jié)果存在一定的偏差，但對不同深度的土壤含水量模擬結(jié)果的總體趨勢與中子儀觀測情況基本接近，模擬結(jié)果仍具有一定的可信度。30 cm以上土壤含水率模擬結(jié)果稍差的原因可能是由于參數(shù)不確定性，一些參數(shù)需要通過室內(nèi)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行判斷。

(3) 利用SHAW模型模擬科爾沁草甸地土壤水熱鹽耦合變化是基本可行的，其輸出結(jié)果相對較好。但模型中多數(shù)公式均為經(jīng)驗(yàn)性的，需通過更多的觀測試驗(yàn)改進(jìn)和完善相關(guān)參數(shù)，以提高模型適用性。

因此，SHAW模型可用于科爾沁草甸地水熱鹽動態(tài)變化規(guī)律研究。模擬結(jié)果可為該地區(qū)冬春作物的播種和預(yù)防凍害等提供參考依據(jù)，可以被借鑒定量模擬預(yù)測農(nóng)田在自然條件下的垂向一維凍土—非凍土系統(tǒng)內(nèi)的水熱鹽遷移狀況。

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DynamicSimulationAnalysisofSoilHydrothermalSaltofHorqinMeadowGroundinFreezingandThawingPeriodBasedonSHAWModel

WANG Chi, LIU Xiaoyan, LIU Qiaoling, LIU Tingxi

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot,InnerMongolia010018,China)

[Objective] To explore the dynamic changes of soil hydrothermal and salt in seasonal freezing and thawing period and its mechanism in order to provide some theoretical basis for soil salinization protection and administer in arid and semi arid areas. [Methods] Horqin meadowland was taken as a research area. Where the hydrothermal and salt observation data of meadow in the Aruga Eco-hydrological Experimental Station of Horqin left-wing post in November 2013—2014, were simulated and analyzed by SHAW model. [Results]The simulated results of soil heat and salt were better, and the root mean square error (RMSE) was 0.02～0.07. Due to the influence of meadow groundwater level, the model has a large deviation from the simulation results of water content, but its standard deviation and mean deviation are within allowable range. [Conclusion] The SHAW model can be used as the optimal model for the simulation of the study. It can compensate for the shortage of artificial observation data intermittent or missing, and can quantitatively predict the migration of hydrothermal salt in the vertical one-dimensional permafrost and free permafrost system under natural conditions.

SHAWmodel;seasonalfrozensoil;parameter;modelevaluation

A

1000-288X(2017)05-0322-06

S812.2

文獻(xiàn)參數(shù)： 王馳, 劉小燕, 劉巧玲, 等.基于SHAW模型的科爾沁草甸地凍融期土壤水熱鹽動態(tài)模擬研究[J].水土保持通報，2017,37(5)：322-327.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.054； Wang Chi, Liu Xiaoyan, Liu Qiaoling, et al. Dynamic simulation analysis of soil hydrothermal salt of Horqin meadow ground in freezing and thawing period based on SHAW model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：322-327.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.054

2017-03-01

2017-04-06

國家自然科學(xué)基金地區(qū)和重點(diǎn)資助項(xiàng)目“科爾沁沙地(沙丘—草甸地)凍融期土壤水—熱—鹽耦合運(yùn)移機(jī)理及其模擬方法”(51169012， 51139002， 51369016); 教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13069); 內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才團(tuán)隊(duì)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)寒旱區(qū)水資源利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2010-6)

王馳(1992—),男(漢族),安徽省馬鞍山人,碩士,主要從事土壤水熱鹽運(yùn)移研究。E-mail:1171785097@qq.com。

劉小燕(1966—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事凍土物理學(xué)研究。E-mail:Liuxy6675@yahoo.com.cn。